Недавно мне в руки попало винтажное пресс-папье от IBM 1970-х годов, в которое встроено несколько чипов памяти. Надпись Essones относится к полупроводниковой фабрике IBM в Корбей-Эсон, пригороде Парижа. IBM открыла её в 1964 году, и тогда это была крупнейшая полупроводниковая фабрика Европы.
Когда в конце 1960-х IBM стала использовать интегральные схемы, чипы запаковывали в квадратные металлические модули, назвав это Monolithic Systems Technology (MST). В пресс-папье представлены несколько этапов производства MST-модуля. Кремниевая подложка разрезается на кристаллы, крепится на квадратной керамической подложке, и оборачивается в металлический корпус размером с ноготь большого пальца.
В пресс-папье встроена кремниевая подложка, четыре кристалла и MST-модуль на разных стадиях сборки. Корпус пресс-папье пожелтел от времени.
Кристаллы заключены в оргстекло, благодаря чему можно подробно изучить их схемы и лучше понять методы работы. На фото ниже видно увеличенное изображение края кремниевой подложки и четырёх кристаллов, заключённых в пресс-папье. Два крупных кристалла – такие же, как кристаллы на положке. Два мелких – одинаковые, но один повреждён.
Интересно, почему у одного из кристаллов отсутствует угол. При этом он не просто отколот – металлический слой и кремний не доходят до края. Вероятно, этот кристалл находился на краю подложки и не прошёл производственный цикл до конца. Отсюда следует, что для изготовления подобных пресс-папье компания использовала отбраковку.
П��вреждённый кристалл
Для этой статьи я сфотографировал кристаллы под микроскопом и провёл реверс-инжиниринг мелкого чипа. Я заключил, что крупные чипы – это чипы статической памяти на 1 килобит, а мелкие – усилители считывания памяти.
Вероятно, эти чипы использовались в популярной линейке мейнфреймов System/370. В 1964 году IBM представила семейство мейнфреймов System/360, оказавшееся чрезвычайно популярным. В 1970 году его модернизировали, объявив о выпуске System/370, собранной на основе интегральных схем (в отличие от System/360), и перешедшей от памяти на магнитных сердечниках к полупроводниковой. В пресс-папье содержатся оба главных изменения: интегральная схема и полупроводниковая память.
Чтобы вы представили себе масштаб компьютера семейства System/370, приведу компьютерный рендер, на котором изображён компьютер System/370 Model 145. Model 145 была машиной «среднего размера» в линейке System/370.
Какое-то время IBM использовала логичную систему нумерации моделей линейки System/370 – с увеличением номера увеличивалась и мощность. Диапазон моделей разнился от самой хилой Model 115 до мощнейшей Model 195. Однако в конце 1970-х эта система нумерации развалилась, и модели начали называть, казалось бы, случайными числами — 3031, 4361, 3090 и 9370. При этом, модель 9370 была наименее мощной.
Model 145 – первый компьютер от IBM, главная память которого была полупроводниковой. По современным стандартам этот компьютер был очень большим – на изображении ниже он занимает все голубые шкафы. В одном шкафу находится процессор, в другом – чипы памяти на 256 кБ. Микропроцессоров тогда ещё не было, поэтому его процессор собран из множества печатных плат, на которых расположены интегральные схемы. Model 145 весила более тонны, стоила $5-10 млн (в сегодняшних ценах), а по скорости была примерно равна IBM PC 1981 года.
Компьютерный рендер System/370 Model 145. Компьютер – в голубых шкафах. Белые шкафы сзади – дисковый накопители. На переднем плане – устройство для чтения карт.
В ранней System/360 вместо интегральных схем (ИС) IBM использовала гибридные модули SLT. Для System/370 компания перешла на ИС, называя их «монолитиками». Большинство компаний упаковывало ИС в квадратные корпуса из пластика или керамики, но IBM сохранила прямоугольные корпуса от SLT, и назвала их MST — Monolithic Systems Technology.
Для разных продуктов у IBM были разные варианты MST-логики. Разные версии использовали разное напряжение. MST-1 использовала землю как верхний порог напряжения, и -4 В как нижний, а -1,32 – как опорное значение напряжения ЭСЛ. Поскольку ЭСЛ чувствительны к колебаниям верхнего напряжения, часто чипы этого семейства использовали в качестве верхнего напряжения землю, а нижнее напряжение было отрицательным. Для MST-2 сдвинули уровни так, что опорное напряжение стало равным земле, верхнее — +1,25 В, а нижнее — -3 В.
Технология MST стала значительным прорывом по сравнению с гибридной SLT. Она была в десять раз более надёжной и в 4-8 раз более плотной. По современным понятиям ИС MST были крайне простыми. 32 транзистора в одном модуле реализовывали порядка шести логических вентилей, поэтому для реализации целого компьютера требовались тысячи ИС.
Модули MST изготавливали в больших количествах, автоматизировав производственные технологии. Последовательность компонентов, заключённых в пресс-папье, демонстрирует производственные этапы. Слева – круглая кремниевая подложка, которую разрезают на отдельные кристаллы. Справа – квадратная керамическая основа с 16 отверстиями для штыревых контактов. Затем на основу наносится распечатанный контур, соединяющий ИС с контактами.
Керамическая основа MST обеспечивает интерфейс между двумя масштабами схем – печатной платой с расстоянием 0,125" между контактами, и ИС с расстоянием в 0,01" между шариковыми выводами. У схемы на керамической основе есть интересные особенности. Каждый контакт питания соединяется с тремя шариками, что позволяет подавать больше тока в ИС. Дорожка V- пересекает чип, давая два контакта для подсоединения с двух сторон. Дорожка V+ проходит в центр чипа, давая дополнительные контакты для питания.
По какой-то причине в MST используются две разных схемы нумерации контактов. У SLT контакты нумеровались по спирали, идущей в центр. Но на MST чаще встречается нумерация от A01 до D04.
На третьем шаге 16 контактов припаиваются к основе. Затем кремниевый крис��алл и керамическая основа комбинируются. Кристалл размещается вверх ногами в центре керамической основы. Посмотрите, насколько кристалл меньше корпуса. Пайка модуля осуществляется расплавлением дозированного припоя, контакты кремниевого кристалла напрямую припаяны к основе.
IBM называла такую технологию «соединения чипа контролируемым коллапсом», controlled-collapse chip connections, или C-4. Для изготовления контактов в модуле использовалось контролируемое количество припоя. Во время припоя чип подтягивался к пальцам модуля поверхностным натяжением – примерно так, как сегодня осуществляется поверхностный монтаж.
Наконец, модуль вставляли в металлический корпус, и получался квадратный чип со стороной в полдюйма. Такие модули имели характерный внешний вид, отличавшийся от керамических или пластиковых DIP, использовавшихся другими производителями.
Этапы производства MST
Модули MST плотно размещались на платах – см, к примеру, фото карты памяти ниже. Квадратные модули вместе с четырёхслойной платой давали значительно большую плотность, чем печатные платы других производителей того времени, использовавших ИС DIP и двухслойные печатные платы.
Карта памяти от IBM
Внутри пресс-папье находится кремниевая подложка диаметром в 50 мм – такой размер ввели в 1969 году. С тех пор размеры постоянно увеличивались, и современные производства используют подложки в 300 мм диаметром. На подложке размещается 177 кристаллов – я сделал фото одного из них под микроскопом (см. ниже). Интересно, что данная подложка изготовлена не до конца – судя по всему, нанесён только один уровень из девяти. На фото можно видеть тестовые контуры и шаблоны выравнивания между кристаллами.
На фото видно артикул DLM1
Также в пресс-папье содержатся готовые кристаллы, фото которых привожу ниже. В центре чипа видна решётка ячеек памяти, а по краям расположены вспомогательные контуры. Изучив кристалл и подсчитав ячейки, я решил, что это килобитная статическая RAM. По краям кристалла видно шариковые выводы, позволявшие припаивать чип напрямую к керамической основе. Их 25 штук, соответственно, чип, скорее всего, монтировался в корпус MST с контактами 5×5.
Чип памяти
Сложно фотографировать под микроскопом модули, заключённые в оргстекло, поэтому при большом увеличении схем чипа не видно, и его реверс-инжиниринг я не смог провести. Я смог измерить характерный размер его деталей – 6 мкм. Такой техпроцесс появился в 1971 году.
На фото ниже – наилучшее разрешение из тех, что мне удалось получить. Думаю, это шесть ячеек памяти – одну я обвёл рамочкой. Думаю, это два перекрёстно связанных инвертора, стандартная схема ячейки статической RAM.
Мелкий чип в пресс-папье устроен гораздо проще, а его компоненты гораздо крупнее. Ниже привожу сделанную мною фотографию. Я обнаружил на нём 32 NPN транзистора и резисторы. Чип частично аналоговый, и использует ЭСЛ. Думаю, что это усилитель другого типа – усилитель считывания для сигналов с чипа памяти. Это объясняет, почему именно эти два чипа заключены в пресс-папье.
На фото кремний серый. Части кремния легируются мышьяком, бором или фосфором для получения участков с отличающимися полупроводниковыми свойствами. Чёрные линии – границы между различными уровнями примесей. Желтоватые – металлические проводники поверх кремния, соединяющие различные компоненты. Крупные чёрные круги — шариковые выводы, соединяющие кристалл с подложкой MST.
Ниже представлена диаграмма части чипа, на которой показано два типа резисторов и транзистор. Верхний резистор состоит из отрезка кремния N-типа с повышенным сопротивлением, с каждой стороны которого есть металлические контакты. Получается резистор на 65 Ом. У нижнего резистора шесть контактов, и значение сопротивления зависит от того, в каких местах подсоединяются проводники. Он использует кремний P-типа, получая сопротивление в сотни Ом.
Транзисторы – биполярные NPN, однако их структура сложнее, чем у типичного NPN-транзистора. Физически у них по две базы и два коллектора, соединённые вместе с целью уменьшения плотности тока. Поэтому у каждого транзистора по пять металлических контактов. На диаграмме ниже показан разрез структуры транзистора. Пять металлических контактов сверху соответствуют пяти контактам транзистора на фото выше. Коллектор, база и эмиттер соединяются с NPN слоями. Кольцо P+ обеспечивает круговую изоляцию.
Более подробная структура и размерность транзисторов:
Распознав компоненты кристалла и разобравшись в подключениях проводников, можно провести реверс-инжиниринг схемы. Однако, если тщательно изучить кристалл, можно увидеть, что многие компоненты не подсоединены. Дело в том, что IBM использовала технологию «мастер-среза» [master slice] для получения множества различных вариантов ИС, без необходимости разрабатывать каждый из них в отдельности. В компании придумали использовать общий кремниевый кристалл со множеством транзисторов и резисторов. Проведя относительно недорогое изменение металлического слоя, можно было подключать имеющиеся компоненты подходящим образом. Поэтому у резисторов есть несколько контактов для подключения – их можно подключать так, чтобы получать разные величины сопротивления.
Подход «мастер-среза» использовал фиксированную схему расположения транзисторов и резисторов, и менял лишь металлическую проводку между ними в процессе т.н. «персонализации». На диаграмме ниже дан рисунок из патента 3539876, на котором изображена схема расположения компонентов, используемая в ИС от IBM для мастер-срезов. Если сопоставить транзисторы и резисторы, видно, что схема почти полностью совпадает с кристаллом из пресс-папье. Но есть и отличия. В частности, у кристалла слева и справа есть дополнительные контакты, и расположение резисторов из-за этого немного изменено. В работе от 1966 года описывается, откуда взялась система «мастер-срезов». Уже в 1966 году они использовали разработку схем чипов при помощи компьютеров.
Логические схемы могут быть устроены множеством способов. Почти все сегодняшние компьютеры используют логическое семейство КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), вентили которых состоят из МОП-транзисторов. Однако В IBM System/370 использовалось высокоскоростное логическое семейство «эмиттерно-связанная логика» (ЭСЛ), которую в IBM тогда называли «эмиттерный повторитель переключателя тока» (Current-Switch Emitter Follower, CSEF). ЭСЛ изобрели в IBM в 1956 году для использования в высокоскоростных транзисторных компьютерах.
По большей части ЭСЛ работали быстро п��тому, что транзисторы включались не до конца (не полностью насыщались). Благодаря этому транзисторы могли очень быстро переключать пути прохождения тока. Кроме того, разница между напряжением 0 и 1 была небольшой (порядка 0,8 В), поэтому сигналы быстро переключались между ними. Для сравнения, у ТТЛ вентилей эта разница составляла порядка 3,2 В. Сигналы обычно переключаются между уровнями со скоростью около 1 В в наносекунду, поэтому чем больше разница, тем дольше переключение. С другой стороны, из-за небольшой разницы между напряжениями ЭСЛ была чувствительна к помехам.
Основу ЭСЛ составляет дифференциальный усилитель – схема, усиливающая разницу между двумя входящими сигналами. Работает она так (см. схему ниже). Через схему проходит фиксированный ток. Если напряжение на левом входе больше, чем на правом, включается левый транзистор, и большая часть тока пойдёт через левое ответвление (красное). И наоборот, если напряжение на правом входе больше, чем на левом, включается правый транзистор, и большая часть тока пойдёт через правое ответвление (синее). Эта дифференциальная пара обеспечивает усиление потому, что небольшая разница между входящими сигналами порождает большое изменение тока.
Эта схема используется в чипе в качестве усилителя, но после небольшой модификации она формирует также и ЭСЛ-вентиль. Чтобы получить вентиль, напряжение в одном из ответвлений фиксируется, становясь опорным, на уровне где-то между значениями «0» и «1». Если входящий сигнал больше опорного, он считается «1», а ниже – «0». (Чипы MST использовали землю в качестве опорного напряжения). Ниже показан инвертер на основе ЭСЛ – если входящий сигнал высокий, ток через левый резистор подтянет напряжение вниз. Для увеличения быстродействия нижний резистор заменён на сток тока (фиолетовый). Ток через сток управляется внешним напряжением смещения.
К выходу добавлен буфер (зелёный). Буфер называется эмиттерным повторителем, поскольку выход берётся с эмиттера транзистора, а выход повторяет вход.
Я провёл реверс-инжиниринг чипа и обнаружил, что в нём содержится две копии приведённой ниже схемы. Эта схема представляет собой дифференциальный усилитель. Вероятно, он использовался в качестве усилителя считывания для усиления сигналов, идущих с чипов памяти и преобразования их в логические.
Я тщательно искал информацию по этому чипу в документации, но ничего не нашёл, поэтому пришлось изучать чип путём реверс-инжиниринга. Сначала я думал, что это обычный логический вентиль. Однако двухэтапное усиление не имело никакого смысла. Ещё один вариант использования такого чипа – преобразование дифференциальных сигналов в сигналы ЭСЛ. Это могло бы объяснить дифференциальные входы, но не двухэтапное усиление.
Компания Intel тоже производила чипы, которым требовались внешние усилители считывания — Intel 1103 и Intel 2105. Для этого Intel выпускала чипы 3208 и 3408 Hex Sense Amplifiers. Одна из причин потребности во внешних усилителях считывания – то, что чипы памяти делали при помощи полевых транзисторов на МОП-структурах, а усилители лучше получаются из биполярных транзисторов. Позднее усилители считывания стали делать прямо на чипах.
У чипа два входа, отрицательный и положительный, и логический выход. Сердцем чипа служат дифференциальные усилители. Входящие сигналы буферизуются, и потом проходят в нижний усилитель (зелёный). Выход с него идёт в верхний усилитель. Такое каскадное расположение усилителей повышает чувствительность чипа и даёт большую степень усиления.
В жёлтых рамках – буферы, использующие описанный ранее эмиттерный повторитель переключателя тока. На каждый вход и выход приходится по буферу. В фиолетовой рамке находится ЭСЛ вентиль. Думаю, он фиксирует значение усилителя, отправляя выходной сигнал обратно внутрь. Транзисторы стока тока отмечены синим. Они обеспечивают постоянный ток на дифференциальные усилители и другие части схемы.
Довольно большая статья получилась для пресс-папье. Однако этот предмет позволяет нам с интересом заглянуть в технологию IBM 1974 года.
По крайней мере, я думаю, что это технология из 1974 года. Общие соображения позволяют отнести его к периоду начала 1970-х. На модуле есть код «1 425C404». Думаю, что вторая цифра, «4», обозначает год выпуска. Модули IBM обычно маркируются тремя строчками текста, однако чёткой информации по смыслу цифр нет. Первая строчка – артикул. Вторая, как считается, обозначает местоположение производства («IBM 52» должно обозначать «Эсон, Франция»). Третья строчка – дата и партия.
Кроме прочего, эта технология демонстрирует переход IBM на ИС и полупроводниковую память в мейнфреймах System/370. Также она объясняет уникальную технику сборки ИС на керамической подложке в квадратном металлическом корпусе – MST. Наконец, килобитный чип памяти демонстрирует удивительный прогресс, который был достигнут в технологии изготовления памяти за последние десятилетия, и приведший к появлению мегабитных, а теперь уже и гигабитных чипов.
Когда в конце 1960-х IBM стала использовать интегральные схемы, чипы запаковывали в квадратные металлические модули, назвав это Monolithic Systems Technology (MST). В пресс-папье представлены несколько этапов производства MST-модуля. Кремниевая подложка разрезается на кристаллы, крепится на квадратной керамической подложке, и оборачивается в металлический корпус размером с ноготь большого пальца.
В пресс-папье встроена кремниевая подложка, четыре кристалла и MST-модуль на разных стадиях сборки. Корпус пресс-папье пожелтел от времени.
Кристаллы заключены в оргстекло, благодаря чему можно подробно изучить их схемы и лучше понять методы работы. На фото ниже видно увеличенное изображение края кремниевой подложки и четырёх кристаллов, заключённых в пресс-папье. Два крупных кристалла – такие же, как кристаллы на положке. Два мелких – одинаковые, но один повреждён.
Интересно, почему у одного из кристаллов отсутствует угол. При этом он не просто отколот – металлический слой и кремний не доходят до края. Вероятно, этот кристалл находился на краю подложки и не прошёл производственный цикл до конца. Отсюда следует, что для изготовления подобных пресс-папье компания использовала отбраковку.
П��вреждённый кристалл
Для этой статьи я сфотографировал кристаллы под микроскопом и провёл реверс-инжиниринг мелкого чипа. Я заключил, что крупные чипы – это чипы статической памяти на 1 килобит, а мелкие – усилители считывания памяти.
IBM System/370
Вероятно, эти чипы использовались в популярной линейке мейнфреймов System/370. В 1964 году IBM представила семейство мейнфреймов System/360, оказавшееся чрезвычайно популярным. В 1970 году его модернизировали, объявив о выпуске System/370, собранной на основе интегральных схем (в отличие от System/360), и перешедшей от памяти на магнитных сердечниках к полупроводниковой. В пресс-папье содержатся оба главных изменения: интегральная схема и полупроводниковая память.
Чтобы вы представили себе масштаб компьютера семейства System/370, приведу компьютерный рендер, на котором изображён компьютер System/370 Model 145. Model 145 была машиной «среднего размера» в линейке System/370.
Какое-то время IBM использовала логичную систему нумерации моделей линейки System/370 – с увеличением номера увеличивалась и мощность. Диапазон моделей разнился от самой хилой Model 115 до мощнейшей Model 195. Однако в конце 1970-х эта система нумерации развалилась, и модели начали называть, казалось бы, случайными числами — 3031, 4361, 3090 и 9370. При этом, модель 9370 была наименее мощной.
Model 145 – первый компьютер от IBM, главная память которого была полупроводниковой. По современным стандартам этот компьютер был очень большим – на изображении ниже он занимает все голубые шкафы. В одном шкафу находится процессор, в другом – чипы памяти на 256 кБ. Микропроцессоров тогда ещё не было, поэтому его процессор собран из множества печатных плат, на которых расположены интегральные схемы. Model 145 весила более тонны, стоила $5-10 млн (в сегодняшних ценах), а по скорости была примерно равна IBM PC 1981 года.
Компьютерный рендер System/370 Model 145. Компьютер – в голубых шкафах. Белые шкафы сзади – дисковый накопители. На переднем плане – устройство для чтения карт.
Модули MST
В ранней System/360 вместо интегральных схем (ИС) IBM использовала гибридные модули SLT. Для System/370 компания перешла на ИС, называя их «монолитиками». Большинство компаний упаковывало ИС в квадратные корпуса из пластика или керамики, но IBM сохранила прямоугольные корпуса от SLT, и назвала их MST — Monolithic Systems Technology.
Для разных продуктов у IBM были разные варианты MST-логики. Разные версии использовали разное напряжение. MST-1 использовала землю как верхний порог напряжения, и -4 В как нижний, а -1,32 – как опорное значение напряжения ЭСЛ. Поскольку ЭСЛ чувствительны к колебаниям верхнего напряжения, часто чипы этого семейства использовали в качестве верхнего напряжения землю, а нижнее напряжение было отрицательным. Для MST-2 сдвинули уровни так, что опорное напряжение стало равным земле, верхнее — +1,25 В, а нижнее — -3 В.
Технология MST стала значительным прорывом по сравнению с гибридной SLT. Она была в десять раз более надёжной и в 4-8 раз более плотной. По современным понятиям ИС MST были крайне простыми. 32 транзистора в одном модуле реализовывали порядка шести логических вентилей, поэтому для реализации целого компьютера требовались тысячи ИС.
Модули MST изготавливали в больших количествах, автоматизировав производственные технологии. Последовательность компонентов, заключённых в пресс-папье, демонстрирует производственные этапы. Слева – круглая кремниевая подложка, которую разрезают на отдельные кристаллы. Справа – квадратная керамическая основа с 16 отверстиями для штыревых контактов. Затем на основу наносится распечатанный контур, соединяющий ИС с контактами.
Керамическая основа MST обеспечивает интерфейс между двумя масштабами схем – печатной платой с расстоянием 0,125" между контактами, и ИС с расстоянием в 0,01" между шариковыми выводами. У схемы на керамической основе есть интересные особенности. Каждый контакт питания соединяется с тремя шариками, что позволяет подавать больше тока в ИС. Дорожка V- пересекает чип, давая два контакта для подсоединения с двух сторон. Дорожка V+ проходит в центр чипа, давая дополнительные контакты для питания.
По какой-то причине в MST используются две разных схемы нумерации контактов. У SLT контакты нумеровались по спирали, идущей в центр. Но на MST чаще встречается нумерация от A01 до D04.
На третьем шаге 16 контактов припаиваются к основе. Затем кремниевый крис��алл и керамическая основа комбинируются. Кристалл размещается вверх ногами в центре керамической основы. Посмотрите, насколько кристалл меньше корпуса. Пайка модуля осуществляется расплавлением дозированного припоя, контакты кремниевого кристалла напрямую припаяны к основе.
IBM называла такую технологию «соединения чипа контролируемым коллапсом», controlled-collapse chip connections, или C-4. Для изготовления контактов в модуле использовалось контролируемое количество припоя. Во время припоя чип подтягивался к пальцам модуля поверхностным натяжением – примерно так, как сегодня осуществляется поверхностный монтаж.
Наконец, модуль вставляли в металлический корпус, и получался квадратный чип со стороной в полдюйма. Такие модули имели характерный внешний вид, отличавшийся от керамических или пластиковых DIP, использовавшихся другими производителями.
Этапы производства MST
Модули MST плотно размещались на платах – см, к примеру, фото карты памяти ниже. Квадратные модули вместе с четырёхслойной платой давали значительно большую плотность, чем печатные платы других производителей того времени, использовавших ИС DIP и двухслойные печатные платы.
Карта памяти от IBM
Подложка и чип памяти
Внутри пресс-папье находится кремниевая подложка диаметром в 50 мм – такой размер ввели в 1969 году. С тех пор размеры постоянно увеличивались, и современные производства используют подложки в 300 мм диаметром. На подложке размещается 177 кристаллов – я сделал фото одного из них под микроскопом (см. ниже). Интересно, что данная подложка изготовлена не до конца – судя по всему, нанесён только один уровень из девяти. На фото можно видеть тестовые контуры и шаблоны выравнивания между кристаллами.
На фото видно артикул DLM1
Также в пресс-папье содержатся готовые кристаллы, фото которых привожу ниже. В центре чипа видна решётка ячеек памяти, а по краям расположены вспомогательные контуры. Изучив кристалл и подсчитав ячейки, я решил, что это килобитная статическая RAM. По краям кристалла видно шариковые выводы, позволявшие припаивать чип напрямую к керамической основе. Их 25 штук, соответственно, чип, скорее всего, монтировался в корпус MST с контактами 5×5.
Чип памяти
Сложно фотографировать под микроскопом модули, заключённые в оргстекло, поэтому при большом увеличении схем чипа не видно, и его реверс-инжиниринг я не смог провести. Я смог измерить характерный размер его деталей – 6 мкм. Такой техпроцесс появился в 1971 году.
На фото ниже – наилучшее разрешение из тех, что мне удалось получить. Думаю, это шесть ячеек памяти – одну я обвёл рамочкой. Думаю, это два перекрёстно связанных инвертора, стандартная схема ячейки статической RAM.
Чип усилителя считывания памяти
Мелкий чип в пресс-папье устроен гораздо проще, а его компоненты гораздо крупнее. Ниже привожу сделанную мною фотографию. Я обнаружил на нём 32 NPN транзистора и резисторы. Чип частично аналоговый, и использует ЭСЛ. Думаю, что это усилитель другого типа – усилитель считывания для сигналов с чипа памяти. Это объясняет, почему именно эти два чипа заключены в пресс-папье.
На фото кремний серый. Части кремния легируются мышьяком, бором или фосфором для получения участков с отличающимися полупроводниковыми свойствами. Чёрные линии – границы между различными уровнями примесей. Желтоватые – металлические проводники поверх кремния, соединяющие различные компоненты. Крупные чёрные круги — шариковые выводы, соединяющие кристалл с подложкой MST.
Ниже представлена диаграмма части чипа, на которой показано два типа резисторов и транзистор. Верхний резистор состоит из отрезка кремния N-типа с повышенным сопротивлением, с каждой стороны которого есть металлические контакты. Получается резистор на 65 Ом. У нижнего резистора шесть контактов, и значение сопротивления зависит от того, в каких местах подсоединяются проводники. Он использует кремний P-типа, получая сопротивление в сотни Ом.
Транзисторы – биполярные NPN, однако их структура сложнее, чем у типичного NPN-транзистора. Физически у них по две базы и два коллектора, соединённые вместе с целью уменьшения плотности тока. Поэтому у каждого транзистора по пять металлических контактов. На диаграмме ниже показан разрез структуры транзистора. Пять металлических контактов сверху соответствуют пяти контактам транзистора на фото выше. Коллектор, база и эмиттер соединяются с NPN слоями. Кольцо P+ обеспечивает круговую изоляцию.
Более подробная структура и размерность транзисторов:
Распознав компоненты кристалла и разобравшись в подключениях проводников, можно провести реверс-инжиниринг схемы. Однако, если тщательно изучить кристалл, можно увидеть, что многие компоненты не подсоединены. Дело в том, что IBM использовала технологию «мастер-среза» [master slice] для получения множества различных вариантов ИС, без необходимости разрабатывать каждый из них в отдельности. В компании придумали использовать общий кремниевый кристалл со множеством транзисторов и резисторов. Проведя относительно недорогое изменение металлического слоя, можно было подключать имеющиеся компоненты подходящим образом. Поэтому у резисторов есть несколько контактов для подключения – их можно подключать так, чтобы получать разные величины сопротивления.
Подход «мастер-среза» использовал фиксированную схему расположения транзисторов и резисторов, и менял лишь металлическую проводку между ними в процессе т.н. «персонализации». На диаграмме ниже дан рисунок из патента 3539876, на котором изображена схема расположения компонентов, используемая в ИС от IBM для мастер-срезов. Если сопоставить транзисторы и резисторы, видно, что схема почти полностью совпадает с кристаллом из пресс-папье. Но есть и отличия. В частности, у кристалла слева и справа есть дополнительные контакты, и расположение резисторов из-за этого немного изменено. В работе от 1966 года описывается, откуда взялась система «мастер-срезов». Уже в 1966 году они использовали разработку схем чипов при помощи компьютеров.
Дифференциальный усилитель и эмиттерно-связанная логика
Логические схемы могут быть устроены множеством способов. Почти все сегодняшние компьютеры используют логическое семейство КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), вентили которых состоят из МОП-транзисторов. Однако В IBM System/370 использовалось высокоскоростное логическое семейство «эмиттерно-связанная логика» (ЭСЛ), которую в IBM тогда называли «эмиттерный повторитель переключателя тока» (Current-Switch Emitter Follower, CSEF). ЭСЛ изобрели в IBM в 1956 году для использования в высокоскоростных транзисторных компьютерах.
По большей части ЭСЛ работали быстро п��тому, что транзисторы включались не до конца (не полностью насыщались). Благодаря этому транзисторы могли очень быстро переключать пути прохождения тока. Кроме того, разница между напряжением 0 и 1 была небольшой (порядка 0,8 В), поэтому сигналы быстро переключались между ними. Для сравнения, у ТТЛ вентилей эта разница составляла порядка 3,2 В. Сигналы обычно переключаются между уровнями со скоростью около 1 В в наносекунду, поэтому чем больше разница, тем дольше переключение. С другой стороны, из-за небольшой разницы между напряжениями ЭСЛ была чувствительна к помехам.
Основу ЭСЛ составляет дифференциальный усилитель – схема, усиливающая разницу между двумя входящими сигналами. Работает она так (см. схему ниже). Через схему проходит фиксированный ток. Если напряжение на левом входе больше, чем на правом, включается левый транзистор, и большая часть тока пойдёт через левое ответвление (красное). И наоборот, если напряжение на правом входе больше, чем на левом, включается правый транзистор, и большая часть тока пойдёт через правое ответвление (синее). Эта дифференциальная пара обеспечивает усиление потому, что небольшая разница между входящими сигналами порождает большое изменение тока.
Эта схема используется в чипе в качестве усилителя, но после небольшой модификации она формирует также и ЭСЛ-вентиль. Чтобы получить вентиль, напряжение в одном из ответвлений фиксируется, становясь опорным, на уровне где-то между значениями «0» и «1». Если входящий сигнал больше опорного, он считается «1», а ниже – «0». (Чипы MST использовали землю в качестве опорного напряжения). Ниже показан инвертер на основе ЭСЛ – если входящий сигнал высокий, ток через левый резистор подтянет напряжение вниз. Для увеличения быстродействия нижний резистор заменён на сток тока (фиолетовый). Ток через сток управляется внешним напряжением смещения.
К выходу добавлен буфер (зелёный). Буфер называется эмиттерным повторителем, поскольку выход берётся с эмиттера транзистора, а выход повторяет вход.
Схема усилителя считывания
Я провёл реверс-инжиниринг чипа и обнаружил, что в нём содержится две копии приведённой ниже схемы. Эта схема представляет собой дифференциальный усилитель. Вероятно, он использовался в качестве усилителя считывания для усиления сигналов, идущих с чипов памяти и преобразования их в логические.
Я тщательно искал информацию по этому чипу в документации, но ничего не нашёл, поэтому пришлось изучать чип путём реверс-инжиниринга. Сначала я думал, что это обычный логический вентиль. Однако двухэтапное усиление не имело никакого смысла. Ещё один вариант использования такого чипа – преобразование дифференциальных сигналов в сигналы ЭСЛ. Это могло бы объяснить дифференциальные входы, но не двухэтапное усиление.
Компания Intel тоже производила чипы, которым требовались внешние усилители считывания — Intel 1103 и Intel 2105. Для этого Intel выпускала чипы 3208 и 3408 Hex Sense Amplifiers. Одна из причин потребности во внешних усилителях считывания – то, что чипы памяти делали при помощи полевых транзисторов на МОП-структурах, а усилители лучше получаются из биполярных транзисторов. Позднее усилители считывания стали делать прямо на чипах.
У чипа два входа, отрицательный и положительный, и логический выход. Сердцем чипа служат дифференциальные усилители. Входящие сигналы буферизуются, и потом проходят в нижний усилитель (зелёный). Выход с него идёт в верхний усилитель. Такое каскадное расположение усилителей повышает чувствительность чипа и даёт большую степень усиления.
В жёлтых рамках – буферы, использующие описанный ранее эмиттерный повторитель переключателя тока. На каждый вход и выход приходится по буферу. В фиолетовой рамке находится ЭСЛ вентиль. Думаю, он фиксирует значение усилителя, отправляя выходной сигнал обратно внутрь. Транзисторы стока тока отмечены синим. Они обеспечивают постоянный ток на дифференциальные усилители и другие части схемы.
Заключение
Довольно большая статья получилась для пресс-папье. Однако этот предмет позволяет нам с интересом заглянуть в технологию IBM 1974 года.
По крайней мере, я думаю, что это технология из 1974 года. Общие соображения позволяют отнести его к периоду начала 1970-х. На модуле есть код «1 425C404». Думаю, что вторая цифра, «4», обозначает год выпуска. Модули IBM обычно маркируются тремя строчками текста, однако чёткой информации по смыслу цифр нет. Первая строчка – артикул. Вторая, как считается, обозначает местоположение производства («IBM 52» должно обозначать «Эсон, Франция»). Третья строчка – дата и партия.
Кроме прочего, эта технология демонстрирует переход IBM на ИС и полупроводниковую память в мейнфреймах System/370. Также она объясняет уникальную технику сборки ИС на керамической подложке в квадратном металлическом корпусе – MST. Наконец, килобитный чип памяти демонстрирует удивительный прогресс, который был достигнут в технологии изготовления памяти за последние десятилетия, и приведший к появлению мегабитных, а теперь уже и гигабитных чипов.
